CN112342367B - 一种复合强化型盾构机刀圈及工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种复合强化型盾构机刀圈及工艺方法，该滚刀刀圈其刀刃部位结构从内到外包括金属本体、防软化层和强化耐磨层，其制备工艺流程包括刀刃部位下沉加工、激光熔覆防软化层、激光熔覆厚强化耐磨层、刀圈整体淬火热处理、金刚石刀具加工至设计尺寸等，强化后刀圈表面硬度达到HRC65～HRC69。本发明可实现强化层与本体冶金结合、消除表面强化工艺过程对本体的软化程度，强化层厚度高，可有效提高刀圈的服役寿命。
Description
技术领域
本发明属于表面工程技术领域，具体涉及一种复合强化型盾构机刀圈及工艺方法。
背景技术
隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，简称TBM)是集支护、掘进、出渣、换步、保养维修、运输为一体的大型多功能掘进机械。TBM主要用于引水工程、铁路公路交通隧道、煤矿巷道及城市地下轨道全断面施工。TBM从隧道一端进去，从隧道另一端出来时，整座隧道便已建成。盾构机施工过程受到河道、航运以及气候的影响比较小；在隧道施工中，盾构机使用相对方便，而且经济效益较高，能够保证施工的安全；盾构机在出土、掘进等操作时可以实现高度的自动化和智能化；盾构机掘进过程中工作速度较高、效率较高、劳动强度相对较小。隧道的TBM施工是长大隧道建造主要施工方法及发展方向，其高效快速的特点可使工程提前完工，提前创造价值。目前已在我国获得推广应用。
在TBM装备中，滚刀刀圈是碾压岩石，破碎岩石的主要的工作部件，在工作过程中不断的挤压破碎岩石，其刀刃部分将发生严重的损伤，其损伤形式多样化，包括破裂、偏磨、卷刃以及正常均匀磨损，在这些损伤形式中，正常均匀磨损大约占据80％。当刀圈应用于如花岗岩等硬岩中时，刀圈的磨损速度加快，严重时每掘进6m就需要进行一次刀具更换，而更换一次刀具需要5～6h，因此其产生的时间代价比较高，据统计，TBM掘进工程中，因刀具损伤换刀所消耗的时间约占工程施工时间的1/3。因此提高刀圈服役寿命是降低工程造价，提前产生经济效益的主要途径。
H13钢是制作TBM滚刀刀圈的主要材料，为了提高刀圈的服役寿命，国内外设计了多种刀圈，并采用各种强化技术提高刀圈的耐磨性。刀圈结构形式主要有普通型或加厚钢刀圈、镶齿硬质合金刀圈以及镶齿硬质合金并堆焊耐磨硬质合金材料的复合刀圈。这些刀圈分别适应不同的地质环境，比如普通型或加厚钢刀圈主要用于掘进岩土地层、断裂砾岩、砂岩、砂粘土等以及中硬度岩石如大理石、灰岩地层。镶齿硬质合金刀圈适用于掘进坚硬岩石如玄武岩、斑岩及石英地层。镶齿硬质合金并堆焊耐磨硬质合金材料的复合刀圈主要适用于掘进坚硬岩石和高磨蚀性的岩层。对于普通型刀圈，研究人员还采用了各种表面工程技术以提高其耐磨性，如渗氮加淬火工艺。在目前的各种H13钢强化技术中，B、N、C等元素的扩散渗透技术具有强化效果好，但强化层厚度薄、效率低，一旦浅表层磨损，将不再具有良好的耐磨性；镶嵌高硬度耐磨件工艺复杂，成本高，在刀圈工况中不适用，且镶嵌工艺需要钎焊，钎焊层在工作过程中的变形将导致硬质合金脱落；激光熔覆、等离子熔覆技术和堆焊工艺能实现厚涂层、冶金结合等，但在熔覆过程中产生大量的热输入，对H13钢造成回火，引起软化现象。因此目前的各种强化工艺均有其固有缺陷，在高硬度的地质环境中需要研发一款新型的刀圈强化工艺。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术制作刀圈的寿命短、强化层厚度低、易于脱落、本体软化等缺点和不足，提供一种复合强化型盾构机刀圈及工艺方法，延长刀圈的服役寿命，降低更换刀圈的时间代价。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种复合强化型盾构机刀圈，其刀刃部位结构从内到外包括金属本体、防软化层和强化耐磨层。
所述硬岩盾构机用滚刀刀圈最终尺寸符合刀圈原始结构设计，所述防软化层厚度为0.3～1.5mm，防软化层侧面外部的强化耐磨层的厚度为1mm～5mm，刀刃顶部的强化耐磨层的厚度为0.5mm～7.5mm，强化耐磨层厚度比防软化层厚度厚。
一种复合强化型盾构机刀圈的制备工艺方法，包括刀圈表面下沉加工、低功率激光熔覆防软化层、激光熔覆厚强化耐磨层、整体淬火热处理和机加工至设计尺寸，具体方法包括如下步骤：
步骤1：对于成品刀圈进行激光表面强化，需通过机加工将刀圈刀刃的工作面部分进行下沉加工，刀刃中心剩余部位作为主要承载部位；
步骤2：在刀圈表面采用激光熔覆工艺或高速熔覆工艺在下沉加工的表面熔覆防软化层，防软化层粉末材料选择625镍基合金、NiAl系列、NiCr系列或NiCrWMo系列合金粉末，需要控制热输入，防软化层厚度为0.3～1.5mm；
步骤3：在防软化层表面采用激光熔覆工艺制备厚度比防软化层厚的强化耐磨层，强化耐磨层材料为W6Mo5Cr4V2、W7Mo4Cr4V2Co5 BSi、W6Mo5Cr4V2Al BSi或W10Mo4Cr4ValBSi，并保障最终熔覆成型后的刀刃尺寸大于刀圈设计尺寸，为后期刀圈加工留足余量，余量高度为0.1～0.5mm；
步骤4：对刀圈整体进行淬火热处理，淬火处理以H13钢的热处理工艺为主，主要保障刀刃芯部的硬度，淬火工艺为，进行1060℃～1100℃淬火和300℃～630℃回火；
步骤5：将强化耐磨层表面的余高进行加工并达到原始设计尺寸和粗糙度。
步骤1所述下沉加工中，刀刃两侧的径向加工量H为10mm～30mm，刀刃两侧的加工深度A为2mm～5mm，下沉部位与未下沉部位保持30°～60°角过渡，刀刃顶部加工量B为2mm～8mm。
步骤2所述激光熔覆工艺中激光功率不超过1.5kw，激光头移动速度不低于8mm/s。
步骤5所述粗糙度不大于Ra1.6mm。
本发明还可用于刀圈的原始制造过程，此时步骤1的下沉加工可省略，并将刀圈在锻造加工过程就加工成步骤1所述的最终结构。
采用上述刀圈，可实现强化层与本体冶金结合、防止激光熔覆过程热输入对基体的硬度影响。同时强化层厚度高。通过强化层获得表层硬度高达HRC65～69的强化层，从而提高刀圈的服役寿命。
和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)设计了下沉加工结构，使熔覆层占据H13钢的本体厚度，经最终机加工后，消除传统增材熔覆涂层产生的刀刃加厚现象，进一步防止在掘进过程中接触应力低的现象，使本发明刀圈可在正常工作负载下工作。此外强化耐磨层占据了H13钢的部分厚度，可使刀圈整体寿命得到进一步提高。
2)采用了防软化层结构，有效避免在熔覆过程H13钢发生回火热处理现象，防止H13钢本体软化。
3)采用了激光熔覆技术，可进一步降低对H13钢的热影响，同时熔覆的强化耐磨层硬度达到HRC 65-69,与传统工艺相比硬度得到显著提升，耐磨性进一步提高。
4)采用了热处理工艺，进一步保障H13钢本体的硬度不变。
5)采用了稳定的材料，在热处理过程中强化层、防软化层的硬度不发生变化。
附图说明
图1为本发明刀圈设计结构示意图；
图2为本发明刀圈熔覆强化层前的下沉加工结构示意图；
图3为本发明刀圈熔覆强化后的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例：首先将图1所示的刀圈进行加工，如图2所示，从刀刃部位开始，径向方向向刀圈中心加工高度H为30mm，刀刃两侧的加工深度A为4mm，下沉部位与未下沉部位60°角过渡，刀刃顶部加工量B为5mm。清洗除油后，采用激光熔覆在下沉加工区域均匀熔覆1mm的Ni20Cr10W9Mo4CuFeB作为防软化层，熔覆过程采用小能量，参数为激光功率500W，移动速度13mm/s。然后在其表面采用激光熔覆工艺熔覆W10Mo4Cr4ValBSi涂层，刀刃两侧的熔覆厚度为3.5mm，并对刀刃顶部熔覆4.5mm的涂层。对刀圈整体进行热处理，首先对刀圈分别加热到600℃、800℃进行预热1.5h，然后升温到1060℃淬火并在580℃回火2次。最终采用金刚石硬质合金刀具进行机加工，将熔覆填充部位多余的0.5mm加工车削，恢复刀圈设计尺寸。
Claims (6)
1.一种复合强化型盾构机刀圈的制备工艺方法，所述刀圈的刀刃部位结构从内到外包括金属本体、防软化层和强化耐磨层；
其特征在于：所述的制备工艺方法，包括刀圈表面下沉加工、低功率激光熔覆防软化层、激光熔覆厚强化耐磨层、整体淬火热处理和机加工至设计尺寸，具体方法包括如下步骤：
步骤1：对于成品刀圈进行激光表面强化，需通过机加工将刀圈刀刃的工作面部分进行下沉加工，刀刃中心剩余部位作为主要承载部位；
步骤2：在刀圈表面采用低功率激光熔覆工艺或高速熔覆工艺在下沉加工的表面熔覆防软化层，防软化层粉末材料选择625镍基合金、NiAl系列、NiCr系列或NiCrWMo系列合金粉末，需要控制热输入；所述低功率激光熔覆工艺中激光功率不超过1.5kw；
步骤3：在防软化层表面采用激光熔覆工艺制备厚度比防软化层厚的强化耐磨层，强化耐磨层材料为W6Mo5Cr4V2、W7Mo4Cr4V2Co5 BSi、W6Mo5Cr4V2Al BSi或W10Mo4Cr4Val BSi，并保障最终熔覆成型后的刀刃尺寸大于刀圈设计尺寸，为后期刀圈加工留足余量，余量高度为0.1～0.5mm；
步骤4：对刀圈整体进行淬火热处理，淬火处理以H13钢的热处理工艺为主，主要保障刀刃芯部的硬度，淬火工艺为，进行1060℃～1100℃淬火和300℃～630℃回火；
步骤5：将强化耐磨层表面的余高进行加工并达到原始设计尺寸和粗糙度。
2.根据权利要求1所述的一种复合强化型盾构机刀圈的制备工艺方法，其特征在于：所述刀圈最终尺寸符合刀圈原始结构设计，所述防软化层厚度为0.3～1.5mm，防软化层侧面外部的强化耐磨层的厚度为1mm～5mm，刀刃顶部的强化耐磨层的厚度为0.5mm～7.5mm，强化耐磨层厚度比防软化层厚度厚。
3.根据权利要求1所述的一种复合强化型盾构机刀圈的制备工艺方法，其特征在于：步骤1所述下沉加工中，刀刃两侧的径向加工量H为10mm～30mm，刀刃两侧的加工深度A为2mm～5mm，下沉部位与未下沉部位保持30°～60°角过渡，刀刃顶部加工量B为2mm～8mm。
4.根据权利要求1所述的一种复合强化型盾构机刀圈的制备工艺方法，其特征在于：步骤2所述低功率激光熔覆工艺中，激光头移动速度不低于8mm/s。
5.根据权利要求1所述的一种复合强化型盾构机刀圈的制备工艺方法，其特征在于：步骤5所述粗糙度不大于Ra1.6mm。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种复合强化型盾构机刀圈的制备工艺方法所制备的刀圈。
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